ยานยนต์ไร้คนขับจะช่วยพัฒนาความยั่งยืนและเพิ่มผลผลิตในภาคการเกษตรได้อย่างไร

รถแทรกเตอร์ไร้คนขับ โดรน และหุ่นยนต์ปลูกเมล็ดพันธุ์ กำจัดวัชพืช และเก็บเกี่ยวเป็นเทคโนโลยีภายใต้การพัฒนาที่จะพลิกโฉมการเกษตรและช่วยบรรเทาปัญหาการขาดแคลนอาหารด้วยการพัฒนาความยั่งยืนและเพิ่มผลผลิตของกิจกรรมทางการเกษตร ยานยนต์ไร้คนขับทุกประเภทจะช่วยให้ไม่ต้องมีคนขับรถแทรกเตอร์และเครื่องจักรอื่น ๆ ทำให้พวกเขาสามารถทำกิจกรรมที่มีมูลค่าได้มากขึ้น ซึ่งรวมถึงการทำการเกษตรแม่นยำสูงซึ่งจะช่วยเพิ่มผลผลิต ลดผลกระทบด้านลบต่อสิ่งแวดล้อม และพัฒนาความยั่งยืนของการทำการเกษตรโดยจัดการกับปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการขาดแคลนน้ำ การขาดแคลนแรงงาน และข้อจำกัดอื่น ๆ

ในขณะที่โดรนและหุ่นยนต์เพื่อการเกษตรเป็นระบบใหม่ที่ได้รับการพัฒนาและนำมาใช้งานตั้งแต่ต้น แต่รถแทรกเตอร์กลับแตกต่างออกไป โดยที่มักจะมีรถแทรกเตอร์ขนาดใหญ่อยู่แล้ว ซึ่งมีอายุการใช้งานยาวนาน ผลลัพธ์ที่ได้นอกเหนือจากการพัฒนาการออกแบบใหม่แบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบแล้ว รถแทรกเตอร์ที่มีอยู่จะได้รับการติดตั้งระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าเพิ่มเติมและอัปเกรดด้วยระบบดิจิทัลเพื่อวัตถุประสงค์เฉพาะ ซึ่งเรียกว่า “การทำรถแทรกเตอร์ดิจิทัล”

บทความนี้กล่าวถึงการพัฒนารถแทรกเตอร์แบบดิจิทัลและรถแทรกเตอร์ไฟฟ้า (e-tractor) ที่เกิดขึ้นใหม่ โดยจะทบทวนความท้าทายในการนำรถแทรกเตอร์ขับเคลื่อนอัตโนมัติไปใช้ในภาคสนาม และมาดูกันว่าโดรน เซ็นเซอร์บนรถแทรกเตอร์ ตลอดจน AI และ ML ถูกนำมาใช้ในการเกษตรแม่นยำสูงอย่างไร นอกจากนี้ยังกล่าวถึงเทคโนโลยีบางอย่างที่จำเป็นต่อการพัฒนายานยนต์ไร้คนขับเพื่อการเกษตร และการนำเสนอผลิตภัณฑ์ที่มีมากมายของ DigiKey ซึ่งรวมถึงแมชชีนวิชัน มอเตอร์และการควบคุม ตัวแปลงพลังงาน เซ็นเซอร์และสวิตช์ อินเทอร์เฟซการสื่อสารแบบใช้สายและไร้สาย และสายสัญญาณ สายไฟและคอนเนคเตอร์ต่าง ๆ สามารถช่วยนักออกแบบเร่งกระบวนการพัฒนาของตนได้ บทความนี้ปิดท้ายด้วยการมองไปในอนาคตโดยสังเขป ซึ่งฟาร์มอัตโนมัติเต็มรูปแบบจะถูกควบคุมโดยระบบปฏิบัติการที่ซับซ้อนซึ่งสามารถจัดการกลุ่มยานยนต์แบบผสม รวมถึงอุปกรณ์ทำไร่ทั้งแบบอัตโนมัติและแบบมาตรฐาน เพื่อเพิ่มผลผลิตและความยั่งยืนสูงสุด

เครื่องมือทำไร่ไปสู่ ISObus

อุตสาหกรรมการเกษตรกำลังก้าวไปสู่การใช้เครื่องจักรอัจฉริยะที่เชื่อมต่อถึงกัน เช่นเดียวกับอุตสาหกรรม 4.0 องค์กรมาตรฐานสากล (ISO) 11783 ซึ่งเป็นบัสเครือข่ายข้อมูลแบบอนุกรมของรถแทรกเตอร์และเครื่องจักรสำหรับการเกษตรและป่าไม้เข้ามามีบทบาท ในอุตสาหกรรมการเกษตร เรียกง่ายๆ ว่า ISObus ซึ่งมีพื้นฐานมาจากโปรโตคอล Society of Automotive (SAE) J1939 ประกอบไปด้วยบัส Control Area Network (CAN) และได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานด้านการเกษตร ISObus ได้รับการส่งเสริมโดยสมาคมอิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรมการเกษตร (Agricultural Industry Electronics Foundation) ที่ทำงานประสานงานการทดสอบการรับรองขั้นสูงสำหรับมาตรฐาน ISO 11783

ก่อนที่จะใช้ ISObus นั้น เกษตรกรมีรถแทรกเตอร์ที่มีระบบควบคุมกรรมสิทธิ์ซึ่งมีความยืดหยุ่น ประสิทธิภาพ และการทำงานร่วมกันที่จำกัด โดย ISObus ประกอบด้วยตัวเชื่อมต่อมาตรฐาน โปรโตคอลการสื่อสาร และแนวทางการปฏิบัติงาน และทำให้เกิดการพัฒนาเซ็นเซอร์และระบบควบคุมที่เชื่อมต่อถึงกันจากผู้ผลิตรายต่าง ๆ (รูปที่ 1) นอกจากนั้น ISObus ยังรองรับการใช้พลังงานไฟฟ้าของรถแทรกเตอร์ รวมถึงอุปกรณ์ส่งกำลังทางกลที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า (PTO) และขั้วต่อไฟฟ้าแรงสูงที่มีพิกัดสูงถึง 700 โวลต์ (V) และ 100 กิโลวัตต์ (kW) เพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า

รูปที่ 1: ISObus สามารถรวมเซ็นเซอร์และการใช้งานจากผู้ผลิตที่หลากหลายเข้ากับระบบปลั๊กแอนด์เพลย์ (แหล่งที่มาภาพ: Armin Weigel/dpa (ภาพโดย Armin Weigel/ผ่าน Getty Images)

ISObus กำลังพัฒนายิ่งขึ้นเพื่อพัฒนาระบบการจัดการการใช้งานรถแทรกเตอร์ (TIM) ตามที่คาดการณ์ไว้ ISObus เวอร์ชันขั้นสูงจะช่วยให้อุปกรณ์ต่างๆ สามารถส่งสัญญาณป้อนกลับไปยังรถแทรกเตอร์ได้ ซึ่งสนับสนุนการปรับให้เหมาะสมของระบบรถแทรกเตอร์/อุปกรณ์ติดตั้งแบบผสมผสาน นอกจากนี้ยังช่วยให้การรวมเซ็นเซอร์ในระดับที่สูงขึ้นบนอุปกรณ์ที่รองรับการทำไร่แม่นยำสูง รถแทรกเตอร์จะให้การรับรู้ตำแหน่ง และระบบที่ทำงานร่วมกันจะรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับสภาพดินและพืชผลอย่างต่อเนื่อง ด้วยข้อมูลเชิงลึกที่มีรายละเอียดมากขึ้น สามารถเพิ่มทั้งผลตอบแทนและความยั่งยืนได้

รถแทรกเตอร์ไฟฟ้า รถแทรกเตอร์ดัดแปลง และรถแทรกเตอร์ไร้คนขับ

นอกจากการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของ ISObus แล้ว การใช้พลังงานไฟฟ้าของรถแทรกเตอร์จะมีความสำคัญต่อการใช้งานยานยนต์ไร้คนขับในอนาคต และเพิ่มความยั่งยืนทางการเกษตร การลดการปล่อยมลพิษเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญ โดยหนึ่งในสี่ของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกของโลกมาจากการเกษตรและกิจกรรมที่เกี่ยวข้องกับการเกษตร และรถแทรกเตอร์หนึ่งคันปล่อยก๊าซเท่ากับรถยนต์ 14 คัน¹

รถแทรกเตอร์ไฟฟ้า (E-tractor) เริ่มปรากฏขึ้น นอกจากลดการปล่อยมลพิษแล้ว รถแทรกเตอร์ไฟฟ้ายังลดต้นทุนเชื้อเพลิงได้อย่างมาก ปัจจุบันรถแทรกเตอร์ไฟฟ้าถูกจำกัดไว้เฉพาะรุ่นเล็ก เนื่องจากรถแทรกเตอร์ไฟฟ้าขนาดใหญ่กำลังสูงต้องการชุดแบตเตอรี่ที่ใหญ่กว่าขนาดของรถแทรกเตอร์ทั่วไป รถแทรกเตอร์ไฟฟ้าขนาดใหญ่ยังมีน้ำหนักมากกว่า ส่งผลให้การบดอัดของดินเพิ่มขึ้นซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่พึงปรารถนา และข้อสุดท้ายเวลาในการชาร์จแบตเตอรี่ก้อนใหญ่นั้นนานเกินกว่าจะใช้งานได้จริงในการปฏิบัติในงานด้านเกษตรกรรม โดยมีการทดสอบใช้งานรถแทรกเตอร์ไฟฟ้าขนาดเล็กกว่าที่มีมอเตอร์ตั้งแต่ 25 ถึง 70 แรงม้า (HP) ประมาณ 18.6 ถึง 52 กิโลวัตต์ และชุดแบตเตอรี่ขนาดเล็กแล้ว รถแทรกเตอร์ไฟฟ้าเป็นมากกว่าระบบขับเคลื่อน นอกจากนี้ยังเกี่ยวกับการเปลี่ยนระบบไฮดรอลิกสำหรับการจ่ายกำลังและการควบคุมรถแทรกเตอร์ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: รถแทรกเตอร์ไฟฟ้าขนาดเล็กที่มีมอเตอร์ตั้งแต่ 25 ถึง 70 แรงม้ากำลังได้รับการทดสอบและพร้อมสำหรับการใช้งาน (แหล่งที่มาภาพ: ภาพถ่ายโดย brizmaker จาก Getty Images)

สำหรับรถแทรกเตอร์ขนาดใหญ่ มีชุดติดตั้งเพิ่มเติมแบบไฮบริดให้เลือก ตัวอย่างเช่น บริษัทหนึ่งเสนอชุดอุปกรณ์ที่มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาด 250 กิโลวัตต์ ซึ่งสามารถติดตั้งเข้ากับเครื่องยนต์สันดาปภายในที่มีอยู่ของรถแทรกเตอร์แทนปั๊มไฮดรอลิก ชุดอุปกรณ์นี้ยังประกอบด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าสี่ตัวเพื่อใช้แทนที่ระบบขับเคลื่อนไฮดรอลิกและระบบส่งกำลังไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนอุปกรณ์ที่มีอยู่ ด้วยการแทนที่ระบบไฮดรอลิก ชุดติดตั้งเพิ่มเติมช่วยลดค่าเชื้อเพลิงและค่าบำรุงรักษา และเพิ่มความพร้อมใช้งานและความน่าเชื่อถือของรถแทรกเตอร์ไฟฟ้าแบบไฮบริด

เช่นเดียวกับการเปิดตัวรถยนต์ไร้คนขับและรถบรรทุก การใช้งานรถแทรกเตอร์ไร้คนขับต้องเผชิญกับอนาคตที่ไม่แน่นอน ตัวอย่างเช่น ข้อบังคับปัจจุบันในแคลิฟอร์เนียกำหนดให้ “อุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนได้เองทั้งหมด เมื่อทำงานด้วยกำลังไฟฟ้าของตัวเองและกำลังเคลื่อนที่ จะต้องมีเจ้าหน้าที่ประจำอยู่ที่ส่วนควบคุมยานพาหนะ” การขับเคลื่อนแบบไร้คนขับเต็มรูปแบบจะต้องรอไปก่อน

บินอยู่เหนือท้องทุ่ง

ปัจจุบันมีการใช้โดรนเพื่องานด้านการเกษตรที่หลากหลาย ตัวอย่าง ได้แก่:

• การถ่ายภาพสุขภาพพืช โดรนได้เข้ามาแทนที่ภาพถ่ายดาวเทียมเพื่อติดตามสุขภาพพืชผล เมื่อติดตั้งอุปกรณ์ถ่ายภาพ Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) โดรนจะให้ภาพสีที่มีรายละเอียดซึ่งสามารถใช้ตรวจสอบสุขภาพของพืชได้ ภาพถ่ายจากดาวเทียมใช้เวลาในการดึงข้อมูลและให้ความแม่นยำในระดับเมตร ในขณะที่โดรนให้ภาพที่มีความแม่นยำระดับมิลลิเมตร และสามารถระบุโรค แมลงศัตรูพืช หรือปัญหาอื่น ๆ ในแบบเรียลไทม์
• การตรวจสอบสภาพไร่สวน โดรนยังตรวจสอบสภาพดินและการระบายน้ำทั่วทั้งไร่สวน ที่สามารถเปิดใช้งานโปรแกรมการรดน้ำที่มีประสิทธิภาพและยั่งยืนมากขึ้น
• การปลูก เครื่องปลูกเมล็ดพืชแบบใช้โดรนอัตโนมัติมีอยู่ทั่วไปในอุตสาหกรรมป่าไม้ และกำลังขยายไปสู่ภาคการเกษตรทั่วไป โดรนสามารถปลูกต้นไม้หรือเมล็ดพืชได้อย่างรวดเร็วและเข้าถึงพื้นที่ที่ไม่สามารถเข้าถึงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ตัวอย่างเช่น สามารถปลูกต้นไม้ได้ 400,000 ต้นต่อวันโดยใช้โดรนหลายตัวและใช้ทีมงานเพียง 2 คน
• การพ่น การใช้โดรนฉีดพ่นปุ๋ยและยาฆ่าแมลงเป็นการใช้งานใหม่ที่แตกต่างกันไปตามภูมิภาค (รูปที่ 3) ตัวอย่างเช่น ในเกาหลีใต้ มีการใช้โดรนประมาณ 30% ของการฉีดพ่นทางการเกษตร ขณะที่ในแคนาดาการใช้โดรนในการฉีดพ่นทางการเกษตรนั้นผิดกฎหมาย และในสหรัฐอเมริกาการฉีดพ่นด้วยโดรนจำเป็นต้องได้รับใบอนุญาตและการรับรองตามที่ได้รับมอบอำนาจจาก Federal Aviation Administration (FAA) และหน่วยงานด้านการเกษตร ธุรกิจ และการขนส่งของรัฐ

รูปที่ 3: โดรนขนาดใหญ่ได้รับการพัฒนาให้สามารถใช้ฉีดพ่นปุ๋ยและยาฆ่าแมลงได้ (ภาพ: ภาพถ่ายโดย baranozdemir จาก Getty Images)

ความแม่นยำสูงทำให้ผลิตได้มากขึ้นโดยใช้ปริมาณที่น้อยลง

แม้กระทั่งก่อนที่รถแทรกเตอร์ไร้คนขับจะถูกนำมาใช้จริง โดรนและการใช้พลังงานไฟฟ้าของรถแทรกเตอร์และอุปกรณ์รถแทรกเตอร์คาดว่าจะสนับสนุนการเกษตรแม่นยำสูงและเพิ่มความยั่งยืน

จากการศึกษาของสมาคมผู้ผลิตอุปกรณ์ [การเกษตร] (AEM) การใช้การเกษตรแม่นยำสูงสามารถนำไปสู่การผลิตพืชผลเพิ่มขึ้น 4% ประสิทธิภาพของการใช้ปุ๋ยเพิ่มขึ้น 7% การใช้ยากำจัดวัชพืชและยาฆ่าแมลงลดลง 9% และลดการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลลง 6%² นอกจากนี้ยังสามารถลดการใช้น้ำได้ถึง 4% ด้วยการให้น้ำที่แม่นยำ

ตัวเลขเหล่านี้มากจากเทคโนโลยีในปัจจุบัน เมื่อการเพิ่มระบบเชื่อมต่อและปัญญาประดิษฐ์ (AI) ตัวเลขการพัฒนาเหล่านั้นคาดว่าจะเพิ่มขึ้นทวีคูณ การเพิ่มแมชชีนเลิร์นนิง (ML) สำหรับการบำรุงรักษาอุปกรณ์ช่วยประหยัดและปรับปรุงในด้านความยั่งยืน

จากข้อมูลของ AEM อุปกรณ์ทำไร่อัตโนมัติคาดว่าจะส่งผลให้มีการพัฒนาเพิ่มขึ้น 24% เมื่อพิจารณาทั้งการประหยัดและการเพิ่มผลผลิต ปัจจัยสำคัญในการปรับปรุงดังกล่าวคือข้อสันนิษฐานที่ว่าเครื่องจักรอัตโนมัติจะมีน้ำหนักเบากว่าอุปกรณ์เดิม ทำให้มีการบดอัดน้อยลงและสภาพดินดีขึ้น

AI และ ML จะมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาเครื่องจักรที่มีความแม่นยำซึ่งปรับให้เหมาะกับงานเฉพาะ เครื่องจักรเฉพาะงานอาจมีขนาดเล็กกว่ารถแทรกเตอร์อเนกประสงค์ ตัวอย่างเช่น กำลังพัฒนาเครื่องจักรขนาดเล็กสำหรับเก็บพืชผลที่ต้องการการมองเห็นด้วยเครื่องจักร การสัมผัสที่ละเอียดอ่อน และความคล่องแคล่วแม่นยำ

การควบคุมวัชพืชเป็นอีกการใช้งานหนึ่งที่คาดว่าเครื่องจักร AI และ ML สำหรับการใช้งานเฉพาะจะมีส่วนร่วมอย่างมาก การควบคุมวัชพืชทำได้ยาก ใช้แรงงานมาก และหากไม่ดำเนินการอย่างมีประสิทธิภาพ จะก่อให้เกิดการใช้น้ำที่มากขึ้นและการสูญเสียธาตุอาหารในดิน การปลูกพืชหมุนเวียนเป็นวิธีแก้ปัญหาเพียงบางส่วน แต่ไม่สามารถขจัดความจำเป็นในการใช้สารกำจัดวัชพืชหรือการควบคุมวัชพืชด้วยตนเองได้ หุ่นยนต์จัดการวัชพืชที่รวมวิชันซิสเต็มกับ AI และ ML กำลังได้รับการทดสอบ อีกทั้งเครื่องจักรขนาดเล็กเหล่านี้ยังลดการบดอัดของดินอีกด้วย (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ตัวอย่างการเก็บเกี่ยวหุ่นยนต์อัตโนมัติที่รวมแมชชีนวิชันเข้ากับ AI และ ML (แหล่งที่มาภาพ: ภาพถ่ายโดย onurdongel จาก Getty Images)

Farm OS และกลุ่มอุปกรณ์อัตโนมัติ

อุตสาหกรรมการเกษตรกำลังมองไปยังอนาคตที่ระบบฟาร์มอัตโนมัติเต็มรูปแบบจะถูกควบคุมโดยระบบปฏิบัติการ (OS) ที่ซับซ้อนที่สามารถจัดการกลุ่มยานยนต์แบบผสมได้ ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์การทำไร่ทั้งแบบอัตโนมัติและแบบมาตรฐาน รวมถึงเครื่องจักรภาคพื้นและโดรน เพื่อเพิ่มผลผลิตและความยั่งยืน (รูปที่ 5) กลุ่มอุปกรณ์ทำไร่เหล่านั้นจะทำงานประสานกันเพื่อช่วยควบคุมค่าใช้จ่ายด้านต้นทุน ลดความต้องการแรงงาน และให้ข้อมูลใหญ่ที่จำเป็นต่อการใช้งานอัตโนมัติและการเกษตรแม่นยำสูง นอกจากนี้ ระบบปฏิบัติการฟาร์มแห่งอนาคตจะได้รับมาตรฐานและปรับให้เหมาะสมเพื่อรองรับอุปกรณ์ที่หลากหลายจากซัพพลายเออร์จำนวนมาก การนำ ISObus มาใช้เป็นเพียงขั้นตอนแรกสู่แนวทางแบบโอเพ่นซอร์สและเป็นมาตรฐานสำหรับระบบอัตโนมัติในฟาร์ม

รูปที่ 5: กลุ่มเครื่องจักรการเกษตรอัตโนมัติภาคพื้นดินและโดรนที่มีการประสานการทำงานกันจะนำไปสู่ความยั่งยืนในระดับที่สูงขึ้น (แหล่งที่มาภาพ: ภาพประกอบโดย Scharfsinn86 จาก Getty Images)

ประโยชน์เพิ่มเติมที่คาดว่าจะได้รับจากระบบปฏิบัติการณ์ฟาร์มที่นำเสนอคือการลดการปล่อย CO2 การสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงที่ลดลง และการเพิ่มประสิทธิภาพของการชาร์จและการจัดการแบตเตอรี่ การวิเคราะห์ข้อมูลใหญ่จะมีบทบาทสำคัญในอนาคตของการเกษตร โดยข้อมูลเรียลไทม์จำนวนมากโดยตรงจากไร่สวนจะถูกใช้เพื่อเทรนอัลกอริทึม AI และ ML อย่างต่อเนื่องซึ่งจำเป็นสำหรับการตัดสินใจ การควบคุม และการวางแผนปฏิบัติการเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเกษตรแม่นยำสูง

สรุป

ขณะนี้ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นสำหรับการพัฒนายานยนต์อัตโนมัติในไร่สวนและการเกษตรแม่นยำสูงแบบยั่งยืน อุตสาหกรรมได้เริ่มต้นไปตามเส้นทางโดยใช้ ISObus โดย ISObus รุ่นถัดไปจะรองรับการทำงานร่วมกันที่เพิ่มขึ้นและช่วยนำไปสู่กลุ่มอุปกรณ์ทำไร่ที่ซับซ้อนและเชื่อมต่อกันมากขึ้น เป้าหมายคือการพัฒนาระบบปฏิบัติการฟาร์มที่สามารถนำกลุ่มอุปกรณ์ทำไร่เหล่านั้นมารวมเข้ากับข้อมูลเซ็นเซอร์แบบเรียลไทม์จำนวนมหาศาลโดยใช้อัลกอริทึม AI และ ML และใช้งานรูปแบบของอุปกรณ์ภาคพื้นดินและเครื่องบินที่ประสานกัน ทำให้เกิดความยั่งยืนและผลผลิตในระดับสูง

1. รถแทรกเตอร์ขับเคลื่อนอัตโนมัติพร้อมสมองกลหุ่นยนต์กำลังจะครอบครองฟาร์ม, Autoweek
2. ประโยชน์ด้านสิ่งแวดล้อมของเกษตรกรรมแม่นยำสูงในเชิงปริมาณ, AEM